南京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文基于同杰申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：機械制造及其自動化指導(dǎo)教師：韓軍20090525碩二J：論文 基于本文針對移動機器人運動控制器的要求，設(shè)計了一款基于細推導(dǎo)了三角形接法的無刷直流電機數(shù)學(xué)模型。闡述了數(shù)字式控制系統(tǒng)整體方案，解決了子換相及鎖相、電機電流、轉(zhuǎn)速和位置等控制檢測關(guān)鍵技術(shù)問題。推導(dǎo)了新的積分分離加積分修正系數(shù)的建了基于計完成了要包括爾信號處理電路、光電編碼器電路、電流采樣電路和系統(tǒng)保護電路，并對各部分電路功能做了詳盡闡述。對硬件可靠性做了分析。在環(huán)境下開發(fā)了控制系統(tǒng)寫了改進型法測速程序、用6現(xiàn)了上位機與后，以移動機器人為平臺進行了系統(tǒng)實驗，利用比了不同細分析了實驗中出現(xiàn)的各種問題。實驗結(jié)果驗證了控制器硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的可行性，新級換代容易。關(guān)鍵詞：刷直流電機，移動機器人，士論文a C SP in of he as in he of he of a of ID as 2 SP SP 30，of in of as he of as he ID of DC he as C+60SO as he of SP of he of ID in in he of of t is to SP 本學(xué)位論文是我在導(dǎo)師的指導(dǎo)下取得的研究成果，盡我所知，在本學(xué)位論文中，除了加以標注和致謝的部分外，不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得任何教育機構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。與我一同工作的同事對本學(xué)位論文做出的貢獻均己在論文中作了明確的說明。研究生簽名：趨】囝查、 弘7年鈿舶學(xué)位論文使用授權(quán)聲明南京理工大學(xué)有權(quán)保存本學(xué)位論文的電子和紙質(zhì)文檔，可以借閱或上網(wǎng)公布本學(xué)位論文的部分或全部內(nèi)容，可以向有關(guān)部門或機構(gòu)送交并授權(quán)其保存、借閱或上網(wǎng)公布本學(xué)位論文的部分或全部內(nèi)容。對于保密論文，按保密的有關(guān)規(guī)定和程序處理。研究生簽名：趣國二墨、 一年6具冊碩上論文 基于服控制器、伺服電機)是數(shù)控機床、機器人以及其他相關(guān)機械控制領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，是關(guān)系國家裝備技術(shù)水平的關(guān)鍵部分。我們國家是一個制造業(yè)大國，為了提升我國制造業(yè)技術(shù)水平，將我國發(fā)展成為制造業(yè)強國，必須重點研究各類重要生產(chǎn)裝備，尤其是伺服控制技術(shù)的應(yīng)用和開發(fā)【。自上世紀八十年代以來，機器人技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。機器人也是各國科學(xué)研究的一個重要方向，它綜合了精密機械制造、仿生學(xué)、人工智能等多門基礎(chǔ)與新型學(xué)科。微電子電路、自動控制理論、傳感器技術(shù)、從某種意義上講，機器人技術(shù)水平的高低，可以體現(xiàn)一個國家的綜合科學(xué)技術(shù)水平【2】。移動機器人是研究的熱點之一，發(fā)展速度很快，已被廣泛應(yīng)用于民用、工業(yè)以及軍用等諸多領(lǐng)域。移動機器人的研究涉及機器人的機械結(jié)構(gòu)、體系結(jié)構(gòu)、環(huán)境建模、導(dǎo)航定位、路徑規(guī)劃、運動控制、多傳感器信息融合、故障診斷、容錯控制以及移動機器人導(dǎo)航控制平臺等動控制系統(tǒng)是移動機器人平臺的基礎(chǔ)，它以機器人運動的驅(qū)動設(shè)備電動機為控制對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機構(gòu)，在自動控制理論的指導(dǎo)下組成的電氣傳動自動控制系統(tǒng)，將電能轉(zhuǎn)換為機械能，實現(xiàn)移動機器人的運動要求15l。所以，運動控制技術(shù)的水平直接反映出了移動機器人平臺性能的優(yōu)劣。移動機器人對運動性能的要求比較高，大多數(shù)運動控制系統(tǒng)主要采用的是伺服控制技術(shù)。隨著計算機以及微電子技術(shù)的的發(fā)展，全數(shù)字化伺服控制技術(shù)是未來控制領(lǐng)域主要發(fā)展趨勢。數(shù)字化機器人是未來機器人的發(fā)展方向。數(shù)字控制技術(shù)以其獨特的優(yōu)勢已經(jīng)逐漸取代模擬控制，而且能夠充分利用現(xiàn)代控制理論的研究成果，提高了控制技術(shù)的水平，促進了控制理論的發(fā)展，給人類創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟和社會效益。12課題研究背景、目的及意義本課題來源于南京市科技局的“多功能移動機器人項目。針對南京市科技局的項目要求，結(jié)合當究開發(fā)一種能完成特殊作業(yè)要求的移動機器人。該項目具體要求：移動機器人主要依靠履帶傳動，具有一定的越障爬坡能力，車體是一個基礎(chǔ)平臺，可以搭載相關(guān)的子系統(tǒng)，如：視覺系統(tǒng)、機械臂和一些特種設(shè)備等。該機器人能夠完全替代人完成消防、反恐、偵查、探測、防爆等一些特殊作業(yè)任務(wù)。運動控制方式有自主控制和遙控兩種模式可供選擇。移動機器人設(shè)計指標要求見表11所示：l士論文表l 帶式自重 2520維隨動搭載平臺地 結(jié)構(gòu)尺寸 長寬高：700400x 300(硼)面移 驅(qū)動輪直徑 190岫動機 平地最大速度 lm地正常速度 0 7m動指標 堆大通過坡度 30 4樓梯通過能力 能通過普通標準樓梯轉(zhuǎn)向能力 能原地零半徑轉(zhuǎn)向續(xù)航能力 炮速度 20。，炮加速度 30。52該移動機器人的三維模型如圖1 1所示幽機器人三維模型該移動機器人的動力是由無刷直流伺服電機提供的。該電機體積小，控制方式靈活，廣泛應(yīng)用于機器人領(lǐng)域。電機必須配備相應(yīng)的伺服控制器才能此電機伺服2碩士論文 基于文的主要任務(wù)就是設(shè)計一款合適的伺服控制器。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，微機和數(shù)字控制芯片的運算能力和可靠性得到很大提高，以單片機為控制核心的全數(shù)字化控制系統(tǒng)不斷的取代傳統(tǒng)的模擬器件控制系統(tǒng)。單片機以數(shù)字控制能力強為特點，但只能處理信息量不大的簡單系統(tǒng)。代的電機控制要求控制器有強大的I要求控制器有高速的數(shù)字信號處理能力以實現(xiàn)實時控制。因此世界上各大發(fā)出了電機控制專用且，發(fā)工具也越來越方便，所以，以此研究開發(fā)一款文就是以計一款移動機器人的無刷直流電機伺服控制器。13伺服控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢伺服系統(tǒng)又稱為隨動系統(tǒng)，是構(gòu)成自動化體系的基本環(huán)節(jié)，是有若干元件和部件組成的俱有功率放大作用的一種自動控制系統(tǒng)按組成系統(tǒng)元件的物理性質(zhì)可分為電氣伺服系統(tǒng)、電氣液壓伺服系統(tǒng)和電氣氣動伺服系統(tǒng)。電氣伺服系統(tǒng)又分為直流伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)。上世紀70年代是直流伺服應(yīng)用最廣泛的年代，直流電動機調(diào)速范圍寬，啟動停止方便，轉(zhuǎn)矩大，系統(tǒng)消耗能量小廣泛應(yīng)用于對控制性能要求比較高的伺服系統(tǒng)中。隨著微處理器、大功率半導(dǎo)體器件和永磁材料制造工藝的發(fā)展，80年代交流伺服電動機逐漸成為交流伺服控制的主導(dǎo)產(chǎn)品。在過負荷特性和低慣性方面交流伺服電機表現(xiàn)優(yōu)越，機械結(jié)構(gòu)相對直流電機簡單，可靠性高，交流伺服控制技術(shù)已有逐步取代直流伺服驅(qū)動技術(shù)的趨勢，成為工業(yè)控制領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)之一。總起來看，伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢主要集中在以下幾個方面|61【7l：(1)交流化伺服系統(tǒng)將逐漸由直流伺服轉(zhuǎn)向交流伺服。目前市場上的主流伺服產(chǎn)品都由交流伺服系統(tǒng)占據(jù)，尤其是在工業(yè)發(fā)達國家，如美國、日本等，交流伺服產(chǎn)品的市場占有率超過八成以上。直流伺服主要應(yīng)用在精巧的機器人控制系統(tǒng)中。(2)微型化采用高速微處理器和高性能數(shù)字信號處理器(為伺服控制核心的控制策略，逐步取代模擬控制方式。隨著現(xiàn)代制造工藝的技術(shù)發(fā)展，伺服控制單元的體積將越來越小。嵌入式的微型伺服控制系統(tǒng)將發(fā)揮巨大的作用，伺服控制方式主要有軟件伺服來實現(xiàn)，從而使在伺服系統(tǒng)中使用現(xiàn)代控制理論算法成為可能。這種嵌入式的微型系統(tǒng)拓展了伺服系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，促進了伺服系統(tǒng)多樣化的發(fā)展。3士論文(3)智能化現(xiàn)代的伺服控制系統(tǒng)采用各種人工智能控制理論，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、模式識別等方法，具有自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自優(yōu)化、參數(shù)自整定的靈巧性智能特性。閉環(huán)控制系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)整可以有系統(tǒng)自己來調(diào)節(jié)達到最優(yōu)的性能，縮短了參數(shù)調(diào)整的時間。這種智能化的伺服系統(tǒng)對應(yīng)用人員的技術(shù)要求比較低，無需專業(yè)人員來對系統(tǒng)進行反復(fù)調(diào)試，這正迎合了廣大使用伺服系統(tǒng)的用戶要求。(4)集成化應(yīng)用超大規(guī)模集成電路、數(shù)字模擬集成電路、光機電一體化技術(shù)、軟件模塊技術(shù)等軟硬結(jié)合的組合技術(shù)，將伺服控制單元的所有控制模塊集成在一起，只需通過調(diào)整軟件的參數(shù)設(shè)置就可以輕松實現(xiàn)各種控制模式，減少了外擴模塊，提高了整個系統(tǒng)的可靠性。這種集成化的伺服控制系統(tǒng)可以滿足不同用戶的需求，提高了產(chǎn)品的市場競爭力。(5)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同化隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)尤其是工業(yè)控制領(lǐng)域已由一對一的伺服控制方式變?yōu)橛啥鄠€伺服控制器通過各種接口技術(shù)組合成一個伺服控制網(wǎng)絡(luò)，各控制器之間可以進行數(shù)據(jù)交互協(xié)同工作，在上位計算機的監(jiān)控下完成復(fù)雜的控制模式。這種多機協(xié)同工作模式是未來伺服控制的主要發(fā)展趨勢。目前這種工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)在國外發(fā)展十分迅速，國內(nèi)則處于起步階段，具有很大的發(fā)展空間。14 國內(nèi)外伺服控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀上世紀70年代，我國伺服控制系統(tǒng)主要研究力量集中在高等院校、科研院所，以軍工、航空宇航為應(yīng)用對象，不考慮成本因素。主要研究所有北京機床所、西安微機電研究所、中科院沈陽自動化研究所等。80年代以后開始進入工業(yè)領(lǐng)域，直到2000年國產(chǎn)伺服停留在小批量、高價格、應(yīng)用面狹窄的狀態(tài)，并且技術(shù)水平和可靠性較低難以滿足工業(yè)需要。2000年以后，國內(nèi)伺服產(chǎn)業(yè)近年來發(fā)展十分迅速，已經(jīng)涌現(xiàn)出了許多有名的自主品牌，如南京埃斯頓、森創(chuàng)(和利時電機)、華中數(shù)控、廣州數(shù)控、蘭州電機廠、華大電機、航天數(shù)控、藍天(高精)數(shù)控等。華中數(shù)控、廣數(shù)、航天數(shù)控、藍天(高精)數(shù)控主要集中在數(shù)控機床領(lǐng)域。南京埃斯頓公司研制的五軸聯(lián)動數(shù)控機床的“高速、高精度交流伺服系統(tǒng)”_破了歐美產(chǎn)品一統(tǒng)天下的局面。下、富士、三洋、安川、發(fā)那克等；美國默生控制技術(shù)公司等；德國西門子(博世力士樂(法國施耐德(。其中日本品牌以良好的性能價格比和較高可靠性占據(jù)了國內(nèi)幾乎近一半的市場，尤其是在中小型市場具有壟斷優(yōu)勢。歐美品牌在高端產(chǎn)品、生產(chǎn)線上有較強競爭力，其市4碩士論文 基于價格，以全套自動化解決方案作為主要特點內(nèi)外伺服控制器的水平主要體現(xiàn)在三個方面：硬件方案、核心控制算法以及應(yīng)用軟件功能。國內(nèi)的伺服控制器所采用的硬件平臺和國外產(chǎn)品沒有太大的差距。國內(nèi)伺服控制器的差距主要體現(xiàn)在控制算法和二次開發(fā)平臺的易用性方面。尤其是在全數(shù)字化的高性能伺服驅(qū)動技術(shù)方面還有很大差距，已經(jīng)成為我國發(fā)展高性能數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的“瓶頸”問題。國外的產(chǎn)品提供了比較好的產(chǎn)品升級功能及良好的軟件開發(fā)環(huán)境，降低了對開發(fā)人員的要求，在一定程度上促進了產(chǎn)品的市場推廣。同時提供了豐富的通訊接口可以方便的與其他設(shè)備進行數(shù)據(jù)交互，人性化好【1 o】。進入2家將自主創(chuàng)新的重大科技攻關(guān)項目列入“十五及“十一五計劃。在國家的大力推動下，我們國家的伺服控制系統(tǒng)取得了巨大的進步。尤其是“神州七號載人航天飛船項目的成功完成，國內(nèi)企業(yè)及研究院所更加堅定了自主創(chuàng)新的能力和信心。相信不久的將來一定會有更多國內(nèi)品牌涌現(xiàn)出來。15本文主要研究內(nèi)容本文主要的研究內(nèi)容及章節(jié)安排如下：第一章首先介紹了本課題來源及研究意義，介紹了國內(nèi)外伺服控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，概括了本文各章節(jié)的內(nèi)容安排。第二章 介紹了無刷直流電動機的工作原理和幾種常用的轉(zhuǎn)子檢測裝置以及功率電子驅(qū)動方式，推導(dǎo)了電機三角形接法的數(shù)學(xué)模型，得出了電機的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。第三章介紹了控制系統(tǒng)的整體方案，機換相技術(shù)，電流、速度和位置檢測技術(shù)。介紹了一種改進的數(shù)字制器動態(tài)參數(shù)工程設(shè)計方法。第四章 設(shè)計實現(xiàn)了控制系統(tǒng)硬件電路，并對各重要電路及元器件參數(shù)選型做了詳盡闡述。第五章詳細闡述了控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計方法和各主要功能模塊的功能，并給出了程序流程圖和詳細程序代碼。第六章在前幾章硬件和軟件設(shè)計的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)進行了硬件和軟件調(diào)試，并給出了實驗結(jié)果，驗證了系統(tǒng)方案的正確性。最后對本文做的工作進行了總結(jié)，并對后續(xù)研究工作進行了展望。2無刷直流電機工作原理及數(shù)學(xué)模型 碩士論文2無刷直流電機工作原理及數(shù)學(xué)模型本章主要介紹無刷直流電動機的結(jié)構(gòu)，主要包括本體結(jié)構(gòu)、位置傳感器、電子換相驅(qū)動裝置，并建立了電機三角形接法的數(shù)學(xué)模型。21無刷直流電動機的基本結(jié)構(gòu)隨著電子技術(shù)、功率半導(dǎo)體技術(shù)和高性能的磁性材料制造技術(shù)的飛速發(fā)展出現(xiàn)的一種新型電機，目前主要應(yīng)用于家電、汽車、航空航天、醫(yī)療設(shè)備及工業(yè)自動化等領(lǐng)域。它主要由電動機本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和功率電子開關(guān)電路組成的機電一體化系統(tǒng)。無刷直流電動機應(yīng)該屬于交流電動機范疇。電器原理框圖如圖21所示。圖21無刷直流電動機原理框圖211 們首先必須滿足電磁方面的要求，保證在工作氣隙中產(chǎn)生足夠的磁通，電樞繞組必須通過一定的電流，以便產(chǎn)生一定的電磁轉(zhuǎn)矩。其次要滿足機械方面的要求，保證機械結(jié)構(gòu)牢固和穩(wěn)定，能傳遞一定的轉(zhuǎn)矩，并能承受一定環(huán)境條件的考驗。此外，還要考慮節(jié)約材料，結(jié)構(gòu)簡單，緊湊，運行可靠和溫升不超過規(guī)定的范圍。(1)定子主要由放在內(nèi)側(cè)、帶有繞組的電磁碟片構(gòu)成。繞組可以有多種纏繞方式，不同的繞組將會產(chǎn)生不同的電磁場，表現(xiàn)出不同的性能，豐富了電機的種類。(2)轉(zhuǎn)子采用永磁材料，不同的電動機有28對磁極。根據(jù)轉(zhuǎn)子磁場密度的要求不同，選擇不同的磁質(zhì)材料。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同主要在于磁鋼形式，通常分為表面粘貼式磁鋼和內(nèi)嵌式磁鋼兩類。電機主要有兩種不同類型的定子繞組：一種產(chǎn)生梯形反電動勢和梯形相電流，稱為梯形電動機，習(xí)慣上稱為無刷直流電動機(一種產(chǎn)生正弦波反電動勢和正弦波相電流，成為正弦波電動機，習(xí)慣上稱為永磁同步電機(本移動機器人選用的是兩磁極三相無刷直流電動機。6碩士論文 基于2 產(chǎn)生一定的平均電磁轉(zhuǎn)矩，必須根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號確定電樞繞組的正確換相，使得定子電樞繞組所產(chǎn)生的磁場與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)磁場在空間始終保持在900電角左右的范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)子位置傳感器目前主要有敏感式、耦合式、諧振式和接近式等。(1)敏感式位置傳感器是利用敏感元件來感受轉(zhuǎn)子位置信息，并輸出電信號去控制各相繞組的導(dǎo)通順序。常用的敏感元件有光敏元件(光電二極管和光電三極管等)和磁敏元件(如霍爾元件、磁敏二極管和磁敏三極管等)。(2)耦合式主要有變壓器耦合(即磁電式)和高頻空心線圈耦合等。(3)諧振式是利用電感和電容等元件組成的諧振電路，當滿足諧振條件時，輸出信號最強，以此控制電樞繞組的導(dǎo)通或關(guān)斷。(4)接近式是利用接近某物而動作的原理組成的一種位置傳感器，如接近開關(guān)等。由于永磁無刷直流電機的轉(zhuǎn)子是永磁體，因此常用磁敏式霍爾位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置。每相繞組有一個霍爾傳感器，各相繞組對應(yīng)的霍爾位置傳感器輸出的邏輯信號經(jīng)過邏輯運算處理后，可以實現(xiàn)功率控制器上的開關(guān)通斷順序控制。213 率驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)與相數(shù)和驅(qū)動方式有關(guān)。常用的有以下幾種驅(qū)動方式：(1)半橋驅(qū)動電路它的特點是繞組采用星形接法，中性點接地，每相繞組采用一個功率開關(guān)器件控制，繞組中的電流方向不能改變，因此繞組產(chǎn)生磁場的方向也不能變化，在一個3600電角周期內(nèi)每相繞組導(dǎo)通一次。如圖22所示：圖22半橋驅(qū)動電路(2)三相星形電路它的特點是功率開關(guān)器件的數(shù)目等于繞組相數(shù)的2倍，每個繞組的首端與一個橋臂相連。電機有6個通電狀態(tài)，每一狀態(tài)都是兩相同時導(dǎo)通，每個晶體管導(dǎo)通角為180。，電樞合成磁場是由通電的兩相磁場所合成的。功率器件按照一定的導(dǎo)通順序通電，電機72無刷直流電機工作原理及數(shù)學(xué)模型 碩士論文就會旋轉(zhuǎn)起來。如圖23所示：三相星形電路(3)三相三角形電路三角形接法跟星形接法的開關(guān)電路是一樣的，只是電機繞組接法不同，三相繞組首尾一次連接。它的特點是任何此狀態(tài)下電樞繞組全部導(dǎo)通，總是某兩相繞組串聯(lián)后再與另一組繞組并聯(lián)，只是各相通電順序與電流流過的方向不同。電樞合成磁場是由通電的三相磁場所合成的。如圖24所示：三相三角形電路本課題選擇的無刷直流電動機繞組是三角形接法，因此功率驅(qū)動電路采用三相三角形電路。22 樞繞組控制電流為直流電流，因此通常采用兩兩通電模式來控制三相無刷直流電機的運行。每次電動機換相都會通過一相提供電源輸入(電流流入該相)，另一相提供電源輸出(電流從該相流出)。定子繞組流過的電流通過鐵心產(chǎn)生的磁場和轉(zhuǎn)子永磁體之間的相互作用，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩。理想情況下，當兩個磁場正交時產(chǎn)生的力矩最大，重合時產(chǎn)生力矩為零。為了使電機連續(xù)旋轉(zhuǎn)，定子繞組就必須產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場。下面介紹三相兩極無刷直流電機兩兩通電模式、導(dǎo)通1200電角的工作原理。由圖24所示，其特點是在所有的磁狀態(tài)中，電樞繞組全部通電，僅是各相通電順于時針旋轉(zhuǎn)時，繞組的通電順序為U仇、胛W、WM 7、v中余類推。如假定流過流過B、U樞合成轉(zhuǎn)矩如圖25所示。電機旋轉(zhuǎn)一周共有六次繞組換相，相鄰兩次換相時刻轉(zhuǎn)矩夾角600。按照規(guī)定的順序依次循環(huán)下去，電機就可以旋轉(zhuǎn)起來。從圖25可以看出無刷直流電動機的轉(zhuǎn)矩是脈動的，輸出的轉(zhuǎn)矩是一個平均轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩的脈動是無刷直流電機一個共性問題。T I=15繞組合成轉(zhuǎn)矩圖T 用兩兩導(dǎo)通模式?，F(xiàn)以電機本身的相變量建立電機的數(shù)學(xué)模型，既簡單又有較高的準確度，為了便于分析，現(xiàn)在假設(shè)：15J”1116191定子三相繞組完全對稱，空間互差1200電角度，參數(shù)相同；轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的氣隙磁場為梯形波，三相繞組反電勢為梯形波，波頂寬度1200電角度；忽略定子鐵心齒槽效應(yīng)的影響； 忽略功率器件導(dǎo)通和關(guān)斷時間的影響，功率器件的導(dǎo)通壓降恒定，關(guān)斷后等效電阻無窮大； 忽略定子繞組電樞反應(yīng)的影響； 電機氣隙磁道均勻，認為磁路不飽和，不計磁滯損耗與渦流損耗。根據(jù)圖25可得到三相繞組的電壓方程如下【31：屹R 00 +厶k ，k 巳乞乞，(21)9屯00；士論文三=言曇墨蘭+考蘭鑰尸蘭+|i!： ：墨：1L (2一乃=麗魯 (24)R，o)+(+2M)望冬2+E(f) (27)碩士論義 基R 為電樞回路的電磁時間常數(shù)，單位s；L=37蘭5芝舍為電力拖動系統(tǒng)I 。“位s，則式(24)、(27)整理得：M氈卅巧警) (28)m鼉警 (29)式中：1L(f)=瓦于反電勢與電機轉(zhuǎn)速成反比E=七。n，而電磁轉(zhuǎn)矩與電流成正比疋=f)。代入式(27)，并對式(27)進行積分，則得到無刷直流電機的機械特性方程為：n=芒一去t (210)1一。 7P 、 。從式(210)可以看出無刷直流電機理想狀態(tài)下的機械特性與有刷直流電機在恒定勵磁條件下的機械特性完全相同。在零初始條件下，對式(28)、(29)取拉氏變換得：坐! ：型旦 f，211)一=一 (s)一E(s)T,s+1墜! ：生 (212)f(s)一It(s) ：1 1)和式(212)可得無刷直流電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖為：圖26無刷電機動態(tài)結(jié)構(gòu)圖從電機動態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以看出，無刷直流電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖與普通有刷直流電動機的完全相同，數(shù)學(xué)模型也是類似的。因此，無刷直流電動機的控制系統(tǒng)設(shè)計完全可以借鑒普通直流電動機的設(shè)計方法。本課題選用的無刷直流電機詳細參數(shù)見表21所示：2無刷直流電機工作原理及數(shù)學(xué)模型 碩士論文表21無刷電機參數(shù)電機參數(shù)額定電壓V 36空載轉(zhuǎn)速r0900空載電流060額定轉(zhuǎn)速r0200額定轉(zhuǎn)矩83額定電流A 995最大效率 85堵轉(zhuǎn)電流A 175堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩470電機常數(shù)相間電阻Q 0206相間電感0883轉(zhuǎn)矩常數(shù) 312速度常數(shù) 306速度轉(zhuǎn)矩常數(shù)040轉(zhuǎn)子慣量0924本章小結(jié)本章主要闡述了無刷直流電動機的基本結(jié)構(gòu)組成、常用的轉(zhuǎn)子位置檢測裝置和幾種常見的功率電子驅(qū)動裝置。對三相兩極無刷直流電動機三角形連接模式的工作原理以及數(shù)學(xué)模型進行了詳細探討。推導(dǎo)出了無刷電機的動態(tài)方程式和動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。為控制系統(tǒng)的設(shè)計和系統(tǒng)性能分析提供了理論依據(jù)。12碩士論義 基于及相關(guān)難點的技術(shù)解決方案。以系統(tǒng)在精度、靈活性、功能上以及可靠性上都有很大的改進，很容易實現(xiàn)模擬系統(tǒng)中一些根本不可能實現(xiàn)的功能。但是，由于其靈活性很高，因此如何設(shè)計一個實用的控制系統(tǒng)是現(xiàn)在面臨的主要問題。31控制系統(tǒng)的整體方案控制系統(tǒng)的整體方案系統(tǒng)框圖見圖31。圖31系統(tǒng)總體框圖下面對圖31各個部分做下詳細介紹：(1)上位機：主要完成與下位機的實時信息傳遞，便于對控制器參數(shù)的調(diào)整，以利于控制系統(tǒng)的調(diào)試。(2)用要完成3)功率驅(qū)動部分：采用功率開關(guān)管搭建電機的能量輸出電路。主要采用部分電路的質(zhì)量直接關(guān)系到整個控制系統(tǒng)的優(yōu)劣。尤其是自舉電容的選擇，下一章將詳細闡述。(4)信號處理部分：采取適當?shù)拇胧┨幚黼姍C的反饋信號，例如：電流采樣信號、霍爾傳感器信號和正交編碼器信號，去除有害噪聲，電平轉(zhuǎn)換，保證反饋的信號可靠的反饋到部分是控制系統(tǒng)實現(xiàn)閉環(huán)控制的主要環(huán)節(jié)，信號質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到伺服控制的精度和能否成功實現(xiàn)。第四章將給出具體的信號處理電路。(5)電機保護部分：此部分主要完成電機運行過程的實時保護，電機的過壓、欠壓和過電流保護，逆變電路控制信號的邏輯錯誤檢測。3控制系統(tǒng)整體設(shè)計 碩士論文(6)制系統(tǒng)采用的是5系列，250二章已經(jīng)給出了電機的詳細參數(shù)。32 個控制系統(tǒng)包括位置壞、速度環(huán)和電流環(huán)【20J【211，如圖32所示：圖32閉環(huán)控制框圖各環(huán)節(jié)工作過程如下：(1)上位機通過串口向過位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)的調(diào)節(jié)來控制電機快速穩(wěn)定的運行到某一特定位置。位置環(huán)采用積分分離反饋位置信號與給定位置偏差較大時，只有比例起作用，快速響應(yīng)系統(tǒng)輸入，取消積分作用，以免由于積分作用使系統(tǒng)超調(diào)量增大，反饋位置接近給定位置時，引入積分作用，以便消除靜差，提高控制精度。(2)速度環(huán)采用積分分離加積分修正系數(shù)的高系統(tǒng)的相應(yīng)快速性，減小系統(tǒng)的震蕩，顯著減小系統(tǒng)的超調(diào)。采取此方法可以實現(xiàn)無靜差的控制系統(tǒng)，減小轉(zhuǎn)矩脈動對電機轉(zhuǎn)速的影響，提高電動機的機械特性硬度，穩(wěn)定電機在恒速運動時的機械特性。位置環(huán)的輸出作為速度環(huán)的輸入，它限制了電機的轉(zhuǎn)速。當電機開始啟動時，由于位置誤差比較大，位置環(huán)輸出限幅在系統(tǒng)允許的最大速度，電機在這個速度值下快速接近目標位置，在這個過程中，速度環(huán)的任務(wù)就是維持電機的轉(zhuǎn)速恒定，減小系統(tǒng)外的擾動對電機轉(zhuǎn)速的影響，此過程中積分修短系統(tǒng)的飽和失控時間，提高系統(tǒng)的控制性能。速度的檢測精度和實時性直接影響系統(tǒng)的閉環(huán)工作效果，影響電機的運行性能，甚至不能正常工作。(3)電流環(huán)采用過電機需要頻繁的正反轉(zhuǎn)啟動運行，需要盡量縮短啟動、制動和反轉(zhuǎn)過渡過程的時間，用加大過渡過程的電流及加大動態(tài)轉(zhuǎn)矩來實現(xiàn)，從而加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。14碩：|于最大轉(zhuǎn)矩來加速到系統(tǒng)要求的轉(zhuǎn)速，在系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后電流急劇減小到負載所需要的電流值，從而縮短了電機的啟動時間，充分利用電機的過載能力，獲得最快的動態(tài)響應(yīng)速度。同時，它也對電機起到了一定的保護作用，限制電機的最大電流值，防止轉(zhuǎn)矩的劇烈波動而損壞電機，提高系統(tǒng)抗電源波動和負載擾動的能力。電流環(huán)根據(jù)速度環(huán)的輸出通過態(tài)無靜差。電流環(huán)的存在使系統(tǒng)性能得到很大提高，提高了系統(tǒng)的可靠性。33 括起來就是實時接收輸入數(shù)據(jù)，根據(jù)伺服系統(tǒng)的控制規(guī)律進行實時計算、處理、邏輯判斷和存儲，最后實時輸出數(shù)據(jù)122】。因此擇一款適合自己系統(tǒng)的核心控制個控制系統(tǒng)都是圍繞31控制芯片選型數(shù)字信號處理器(伴隨著微電子技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字信號處理器電路與技術(shù)的不斷完善，迅速發(fā)展起來的現(xiàn)代高速數(shù)字處理單片機，是電子信息領(lǐng)域的新型高科技產(chǎn)品。12325從80年代初發(fā)展迅速，生產(chǎn)廠家眾多，產(chǎn)品種類繁多，工作速度不斷提高。目前，市場上常見的本些產(chǎn)品在性能上差別不大，但因貨源和開發(fā)環(huán)境的原因，國內(nèi)應(yīng)用最普遍的是次是別是種多、芯片內(nèi)部資源豐富、支持軟件完善而獨占鰲頭，連續(xù)四年在同行也中業(yè)績第一，市場占有率為45。目前我國對國外國的差距很大。近年來，在國內(nèi)國的大多數(shù)公司只是依靠為一些者做由于方面的配套服務(wù)比較齊全，因此本文選擇時用戶提供了很多詳盡的便了設(shè)計者的程序設(shè)計，縮短開發(fā)周期。這個平臺上最有代表性的是24系列3控制系統(tǒng)整體設(shè)計 碩士論文的8了跟上技術(shù)的發(fā)展和后續(xù)的系統(tǒng)升級換代，選用32 881x280x)夠在一個周期內(nèi)完成32兩個16x 16位的乘法累加運算，能夠完成64位的數(shù)據(jù)處理，從而使該處理器能夠?qū)崿F(xiàn)更高精度的處理任務(wù)。快速的中斷響應(yīng)使28小的中斷延時)的響應(yīng)外部異步事件。28此，28門的分支跳轉(zhuǎn)(00件減少了條件指令執(zhí)行的時間，條件存儲操作更進一步提高了28261)高性能5067低功耗設(shè)計(核心電壓為18V1359V150V)。(2)高性能6x 16位和32強型的哈佛總線結(jié)構(gòu)，強大的操作能力，迅速的中斷響應(yīng)，代碼效率高(兼容CC+或者匯編語言)。(3)片上存儲器，128個4塊8塊14)外部中斷擴展(塊，可支持45個外部中斷。(5)三個32位6)馬達控制外設(shè)，兩個事件管理器(與2407)串行接口外設(shè)，串行外設(shè)接口個串行通信接口準的強型局域網(wǎng)絡(luò)控制器(通道緩沖串口(8)12位6通道，2個8通道的輸入多路轉(zhuǎn)換器，兩個采樣保持器，單個雙路同步采樣，高速通道轉(zhuǎn)換速率：8029)最多可有56個可編程通用輸入輸出(腳。(10)高級仿真性能，分析和設(shè)置斷點的功能，實時的硬件調(diào)試功能。(11)開發(fā)工具，C+編譯器匯編器連接器，泛的第三方數(shù)字電機控制支持。333 內(nèi)部功能模塊利用表31給出了系統(tǒng)中主要用到的要用到了事件管理器6碩上論文 基于 續(xù)增減計數(shù)模式事件管理器比較單元l3，產(chǎn)生6路，捕捉換相時刻測電機轉(zhuǎn)速上位機通信，波特率9600定時器4事件管理器4無刷直流電動機控制策略341數(shù)字式控制系統(tǒng)隨著微處理器的出現(xiàn)及運算速度的提高，控制系統(tǒng)也由原來的以模擬量反饋、模擬控制器為核心的連續(xù)控制系統(tǒng)過渡到以數(shù)字量處理為主、以高速信號處理器為控制核心的數(shù)字控制系統(tǒng)。特別是當前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(主要是現(xiàn)場總線技術(shù))在工業(yè)領(lǐng)域的普及和發(fā)展，就更加確定了數(shù)字控制的主導(dǎo)地位【51?？刂葡到y(tǒng)中無刷直流電動機作為控制對象。感器包括：霍爾傳感器(檢測轉(zhuǎn)子位置)，增量式光電編碼器(計算電機轉(zhuǎn)速和控制位置)和電流采樣電阻，這些傳感器的信號經(jīng)過處理后反饋到為一定的控制策略和算法，實時的控制電機的運行。數(shù)字式控制系統(tǒng)傳動結(jié)構(gòu)框圖如圖33所示。數(shù)字式控制系統(tǒng)的主要特點1)控制系統(tǒng)集成度高，硬件電路簡單而且統(tǒng)一，可靠性高，可重復(fù)性好，對于不同的控制對象和控制要求，只需改變控制算法軟件即可，可以實現(xiàn)用同一控制器即可控制直流電動機又可控制交流電動機。(2)數(shù)字控制器的輸入輸出通道可以實現(xiàn)控制量的模擬輸出、反饋量的輸入，具有數(shù)據(jù)采集速度快、值域范圍寬、分辨率高等特點，為實現(xiàn)高性能的控制算法打下了基礎(chǔ)。3控制系統(tǒng)整體設(shè)計 碩士論文4 一弋三蘭控制器 信號輸入通道 睡一相關(guān)傳感器L 丁反饋回路部分圖33數(shù)字式控制系統(tǒng)傳動結(jié)構(gòu)框圖(3)采用高速以實現(xiàn)復(fù)雜的高性能的各種控制策略和方法，如矢量控制、多變量模糊控制等。由于軟件的靈活性，可以盡可能充分地實現(xiàn)人工智能，更好的適應(yīng)控制系統(tǒng)的復(fù)雜多變。(4)借助于一些人機界面設(shè)備，可以方便對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行監(jiān)控、預(yù)警、故障診斷等，還可完成與上位機的實時通信；借助通信技術(shù)可以方便的實現(xiàn)高復(fù)雜度的多機協(xié)作。342 置通用定時器統(tǒng)設(shè)計的0用全比較單元123來產(chǎn)生互補的據(jù)控制計算的要求實時改變比較寄存器的值來改變過配置可編程的死區(qū)單元，保證在任何情況下，每個比較單元的兩路在一個功率器件沒有被完全關(guān)斷時，另一個器件不會導(dǎo)通。兩個對角開關(guān)管中上橋臂采用定頻一個開關(guān)管常開，這樣有利于減小電機的轉(zhuǎn)矩脈動。具體的寄存器配置方法將在第5章軟件設(shè)計里面做詳細闡述。343 電子換相及鎖相技術(shù)系統(tǒng)選用的是了實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的準確換相，需要參考轉(zhuǎn)子繞組的連接方式和霍爾傳感器的信號輸出方式。因此，參照61，如圖34所示：18碩十論文 基于12+Il m V 60 120 180 240 300 360圖34電機繞組接法、霍爾信號和相間電壓波形圖它們的換相原理與星形接法電路是一樣的。圖35給出三相三角形橋式開關(guān)電路的結(jié)構(gòu)圖，詳細的電路圖參照第四章的電機驅(qū)動電路設(shè)計。三相三角形橋式功率驅(qū)動電路193控制系統(tǒng)整體設(shè)計 碩士論文根據(jù)無刷電機的工作原理，準確檢測電機轉(zhuǎn)子的位置是十分重要的。位置信號可以通過檢測3個霍爾傳感器得到。每一個霍爾傳感器都會產(chǎn)生1800脈寬的輸出信號，如圖34所示。三個霍爾傳感器的輸出信號互差1200相位差。這樣它們在每一個機械轉(zhuǎn)中共有6個上升或下降沿，正好對應(yīng)著6個換相時刻。通過將可以獲得這6個時刻【】。為了能夠準確換相讓電機旋轉(zhuǎn)起來，必須清楚所選擇的電機的傳感器安裝方式，以及與傳感器信號相對應(yīng)的繞組通電方式，圖36是詳細傳感器信號與繞組通電順序。f：n l l 0 1 nd nC1 0 0 nC 0 nC 0 cc n。C0 1 1 G；nd nC l nC CW is by in l 0 1 cc n。C1 0 0 nC。 0 nC 0 nd nC0 1 1 nC 1 nC 霍爾信號與通電繞組關(guān)系在得到換相時刻的同時，將口、并檢測該口的狀態(tài)，就可以確定換哪一相。將捕捉口的電平狀態(tài)稱為換相控制字。對應(yīng)關(guān)系見表32和表33：表32電動機軸測觀察順時針旋